SPD脱离器及其热稳定试验.docx

· 电涌保护器(SPD)脱离器及其热稳定试验
· 2010年12月20日12:16:03 来源：《半导体器件应用》2008年9月刊 作者：周蜜，王建国，郭清滔，王建平，薛健，向念文，陈俊杰
1 引言
电涌保护器（Surge Protective Device，SPD）是雷电防护体系中最主要的保护器件之一，其运行可靠性和安全性直接影响雷电防护性能。对于限压型 SPD，其内部核心元件压敏电阻（MOV）劣化失效后变为低阻或短路时，往往会有较大的交流电流通过 SPD，产生很高的热量，甚至冒烟起火引发电源事故。因此一般要求 SPD 具有热保护功能的脱离器，其作用是防止 SPD 因损坏、对地短路等而影响供电线路的正常工作，将 SPD 与电源系统脱离，并发出劣化告警指示，以便维护人员及时更换。
在通信行业里，SPD 的安全性要求，特别是防自毁起火的安全要求排在第一位，而防雷效果是放在第二位的[1]。设计良好的脱离器对 SPD 的保护尤为重要，IEC 标准以及国家标准和通信行业标准针对 SPD 的热容性及脱离器的可靠性都提出了符合热稳定试验的要求。
2 SPD脱离器
限压型 SPD 中的 MOV 失效后故障表现有短路和开路两类形式。短路故障产生原因主要为电涌电流通过 MOV 产生的热击穿或电涌电流在 MOV 表面产生的放电造成两极间金属性短路，其工频短路电流值因系统容量不同从上百至几千安培。某些情况下失效的 MOV 并未完全短路且有一定阻抗，流过 MOV 的故障电流使其发热燃烧，燃烧过程中在没有完全开路前故障电流在几百毫安至几安培间。对于低压配电系统而言，系统故障主要表现是相线通过 SPD 对 PE 线或 N 线过流或漏电流。
SPD 脱离器工作原理是当保护电路漏电流增大发热时，热量直接通过压敏电阻的金属引脚或者通过元件表面接触以及空气散热等方式传导至脱离器，脱离器受热升温，达到一定的温度时发生脱扣。而脱离器一般都是串联在 SPD 保护电路中，一旦发生脱扣，即将 SPD 与电源回路断开，保证设备的安全。连接在脱离器上的状态显示器为用户提供 SPD 的有关信息，根据其结构显示 SPD 是在工作还是不再起作用。
脱离器按受热方式主要分为直热脱扣和旁热脱扣两类[2]。热量通过压敏电阻金属引脚传导至脱离器的方式属于直热脱扣，大部分 SPD 采用这种方式。通过空气或其他介质传导至脱离器的方式属于旁热脱扣，这种方式热量传导相对较慢，因此脱扣动作需要的热积累时间比较长。
机械脱扣和温断管脱扣是脱离器常见的脱扣方式。图 1 为机械脱扣方式脱离器的结构示意图，机械脱扣一般由低温焊锡配合机械弹簧或弹簧片组成，通过使用具有热熔断性能的材料或元件来检测温度并熔断。目前使用的具有热熔断性能材料为低熔点合金材料，对低熔点合金材料的选择决定了脱离装置性能的优劣，一般低熔点合金的机械强度随着温度的上升而下降。根据脱离器的动作特性，要求低熔点合金在常温下具有很好的塑性和强度。随着温度的上升，从固态到液态转变要有一个明确的界限。反映在曲线上，要求从足够的机械强度下降到小于弹簧力的温度区间尽可能地小，即下降线越陡，脱离装置的动作也就越灵敏。低熔点合金材料也是解决 SPD 的通流量与 MOV 失效时所通过的系统能量之间的矛盾，脱离部件与 MOV 连接处的机械强度与脱离灵敏度之间矛盾的平衡支点。
机械脱扣方式可能属于直热脱扣也可能属于旁热脱扣，而温断管脱扣方式一般为旁热脱扣，当温断管内部温度达到温断管的脱扣温度时，温断管内部电路熔断，SPD与电源回路断开。
3 SPD 后备过电流保护
SPD 脱离器上的低温焊锡对温度敏感，反映速度比较慢，而对电流不敏感，所以往往对因漏电流增大或电源谐波增大或电源电压持续增高而导致 MOV 持续工作发热的故障保护较好。若 MOV 因大的冲击电流导致损坏短路，这时 MOV 因短路导致电流很大，但发热量不足以马上使脱离器将 MOV 与电源电路分离，却会导致供电电源发生故障，甚至引发安全事故，因此 SPD 所在电气回路还需安装过电流保护装置等其它后备保护元件，当 SPD 自身脱离器不能迅速切断工频短路电流时，过电流保护装置迅速分断电路，以保证 SPD 产品自身不会发生爆炸事故及低压配电系统供电的连续性。
一般小容量的 MOV 是在阀片边上紧靠安装一只温度保险丝，同时起到过热分离和过电流分离的双功能，大容量的 MOV 一般在 MOV 的回路里串接容量较大的断路器或熔断器作为过流保护。应用断路器的主要优点是故障断开后不必更换器件，具有智能带电操作机构的断路器还可实现遥控、遥信；主要缺点是相对价格较高，微型断路器分断能力较小，不能承受较大的电涌电流，而塑壳断路器的体积较大。此外，因断路器中电磁脱扣结构电感L的作用，在相同冲击放电电流情况下，比熔断器作后备保护器总电压保护水平 UP 偏高 0.1～0.25 倍[3]。熔断器分断能力高，相对尺寸较小，价格较便宜。但主要缺点是熔丝熔断后不能提供动作信号，不能及时更换熔断体，影响保护可靠性。另外，熔断器在承受数次雷电流的冲击后会出现老化，提前熔断。一般在低压配电系统 SPD 后备保护应用时，前级保护采用断路器，后级保护采用熔断器。
SPD 的后备过电流保护装置大多数为外置式，但目前也出现许多 SPD 将过电流保护装置内置在 SPD 内部。SPD 和后备过电流保护装置之间存在电涌配合问题。当 SPD 和过电流保护装置配合时，在标称放电电流或冲击电流下，过电流保护装置不动作，然而当电流比标称放电电流或冲击电流大时，过流保护装置动作一般是正常的，对于断路器这样的可复位过流保护器不应被这种电涌损坏。在这种情况下，由于这种过电流保护装置由于时间响应特性即使动作了，全部电涌也将可能流过 SPD[4]。
4 SPD 热稳定试验
4.1 标准对热稳定试验的要求
SPD 的热稳定试验是 SPD 安全性能试验中极为重要的一项测试，由耐热试验和热稳定性试验组成。耐热试验是把 SPD 在环境温度为 80℃±5K 的加热箱中保持 24h，要求 SPD 的内部脱离器不动作。其试验目的是考核 SPD 的内部脱离器是否在不会造成威胁的温度下发生误动作。而热稳定性试验将试验样品连接到工频电源，提高电源电压使 SPD 有电流流过。考察 SPD 在通过非正常的电流情况下能不能和外界的热交换达到平衡，等待故障解除。在无法达到平衡之后脱离器是否可以准确动作，从而避免引发火灾。根据 IEC61643-1（GB18802.1-2002）标准[5-7]，对于没有开关元件和其他元件与 SPD 并联的 SPD，检查 SPD 在流过交流电流为 2、5、10、20、40、80、160、320、640 和 1000mA 有效值时，是否达到热平衡（10min 内温度的变化小于 2K）或 SPD 脱离器是否动作。对于有开关元件与其他元件串联的 SPD，先将开关元件短路，再对 SPD 施加最大运行电压Uc，如无明显的电流流过，再进行相应电流的热稳定试验。合格判别标准是脱离器动作时 SPD 表面温度应总是低于 120℃，在脱离器动作后 5 分钟，表面温度应低于 80℃。而信息产业部行业标准 YD/T 1235.2-2002[8] 对热稳定试验要求更为严格，SPD 的试验电流相应为20、80、320、1000、2500、5000mA。
IEC61643-1 对开关型 SPD 的热稳定性试验以“短路开关元件”替代试验方式进行，但实际试验中“短路开关元件”存在可操作性问题，大多数 SPD 产品根据实际情况集成了许多其它功能如计数、遥信电路等，并且在阻燃、布线、封装及安装等方面都有考虑。对于这类 SPD，短路开关元件是无法实现的。电性能测试不应该在破坏掉试品的封装和结构后才可完成[9]。同样YD/T 1235.2-2002 中关于热稳定性试验中规定热稳定试验仅适用于安装在L与N或 L 与 PE 间的 SPD，也是回避对开关型 SPD 进行热稳定试验。YD/T12355 系列标准认为“电压开关型 SPD 和具有开关特性的组合型 SPD 因存在沿待进步研究的续流遮断能力及其试验方法问题，不宜在除 N—PE 外的其它保护模式中推广使用”。
4.2 SPD 产品热稳定试验结果
表 1、表 2 是根据 YD/T 1235.2 对不同厂家的 23 种通信电源用 SPD 产品进行热稳定试验的测试结果[1]。试验发现不同厂家 SPD 制造水平参差不齐，有的产品完全不能通过任何一档电流测试，无脱离器或脱离器根本不动作，只要测试电流一加上，就会出现冒烟起火的现象。有的产品个别电流档实验不能通过，包括①大电流试验时出现起火：在 2500mA 或 5000mA 电流实验时，瞬时产生大量的热量，脱离器根本来不及脱扣，SPD 模块就已经冒烟穿孔甚至发火；②中小电流试验时出现高温超标：在 5000mA 大电流时能够使分离装置迅速发热实现脱扣，但在 320mA 或 1000mA 的电流实验时却因为发热较慢，脱离器迟迟未能脱扣，而模块的其它位置却已经软化冒烟、温度超标，甚至也出现明火；③基本上能通过电流试验，但某个等级电流试验时一直不脱扣，且模块温度明显高于 120℃。
有些产品基本上能通过电流试验，但在脱离器动作后 5min 内，SPD 保护模块表面高于 80℃。还有些产品出现假脱扣：每个电流档实验都能脱扣，但是再次对 SPD 施加工频电压时，SPD 发生短路起火。
表 2 的统计结果可以看出，采用自热脱扣的产品通过实验测试的比例远大于采用旁热脱扣方式的产品通过实验的比例。
表 2  热稳定试验统计结果
脱扣方式 产品数量 通过测试产品数 通过比例
直热机械脱扣 10 7 70.3%
旁热机械脱扣 3 1 33.3%
旁热其他脱扣 6 2 33.3%
无分离脱扣装置 4 0 0.0%
合计 23 10 43.4%
5 结语
良好的脱离器能有效防止因 SPD 劣化失效等故障引起的火灾、爆炸等事故，是 SPD 安全可靠运行的重要保障之一。
SPD 热稳定试验检验 SPD 热容性及脱离器工作可靠性，是 SPD 安全性试验中的一项最重要的测试，应引起 SPD 生产厂家和用户高度重视。